I ricercatori IBM hanno raggiunto una tappa fondamentale realizzando un componente base per il futuro dei dispositivi wireless.
In uno studio pubblicato ieri sulla rivista Science, i ricercatori hanno illustrato il primo circuito integrato fabbricato utilizzando un wafer di grafene ed hanno dimostrato un prototipo di mixer a banda larga, in grado di operare a frequenze fino a 10 gigahertz (10 miliardi di cicli/secondo).
Progettato per le comunicazioni wireless, questo circuito integrato analogico basato su grafene potrebbe migliorare i dispositivi wireless attuali e lascia intravedere il potenziale per una nuova serie di applicazioni. Alle frequenze convenzionali di oggi, i segnali dei telefoni cellulari e dei transceiver potrebbero essere migliorati, con la possibilità per i telefoni di funzionare dove oggi è impossibile, mentre, a frequenze molto più elevate, il personale militare e medico potrebbe vedere armi nascoste o condurre indagini diagnostiche senza i pericoli delle radiazioni posti dai raggi X.
Il grafene, il materiale elettronico più sottile, composto da un unico strato di atomi di carbonio disposti in una struttura a nido d’ape, possiede eccezionali proprietà elettriche, ottiche, meccaniche e termiche, che potrebbero renderlo meno costoso e permetterebbe di consumare meno energia all’interno dei dispositivi elettronici portatili, come gli smart phone.
Nonostante i significativi progressi scientifici nella comprensione di questo nuovo materiale, e la dimostrazione di dispositivi ad alte prestazioni basati sul grafene, la sfida di integrare transistor al grafene con altri componenti su un unico chip non era stata vinta finora, soprattutto per la difficoltà di far aderire il film di grafene ai metalli ed agli ossidi e per l’assenza di processi di fabbricazione affidabili in grado di realizzare in modo riproducibile circuiti e dispositivi.
Questo nuovo circuito integrato, composto da un transistor al grafene e da una coppia di induttori integrati in modo compatto su un wafer di carburo di silicio (SiC), supera numerosi ostacoli di progettazione grazie allo sviluppo di procedure di fabbricazione in scala wafer, che mantengono la qualità del grafene e ne consentono al contempo l’integrazione con altri componenti per formare circuiti complessi.
Questo traguardo rappresenta anche un’importante pietra miliare per il programma Carbon Electronics for RF Applications (CERA), finanziato dalla DARPA.
Come funziona
Il grafene viene sintetizzato mediante trattamento di wafer di SiC in modo da formare strati uniformi di grafene sulla superficie di SiC. La fabbricazione di circuiti in grafene prevede quattro strati di metallo e due stradi di ossido, per formare transistor a grafene, induttori e interconnessioni on chip.
Il circuito funziona come un miscelatore di frequenze a banda larga, che produce segnali di uscita con frequenze miste (somma e differenza) dei segnali di ingresso. I mixer sono componenti fondamentali di molti sistemi di comunicazione elettronici. Il circuito integrato in grafene ha dimostrato la capacità di miscelare frequenze fino a 10 GHz ed una eccellente stabilità termica fino a 125 °C.
Lo schema di fabbricazione sviluppato è applicabile anche ad altri tipi di materiali al grafene, tra cui pellicole al grafene ottenute tramite deposizione chimica in fase di vapore (CVD), sintetizzate su pellicole di metallo, ed è anche compatibile con la litografia ottica per ridurre i costi e aumentare i volumi.
In precedenza, il team aveva dimostrato la capacità di costruire singoli transistor al grafene, con una frequenza di taglio addirittura di 100 GHz e 155 GHz per il grafene epitassiale e CVD, per una lunghezza di gate rispettivamente di 240 e 40 nm.
IBM e la leadership nella nanotecnologia
Nei 100 anni della sua storia, IBM ha continuato a investire nella ricerca scientifica per costruire il futuro dell’Information Technology e l’annuncio di oggi ne è una conferma.
La nanotecnologia è un’area ricca di potenzialità che porterà ie si prevede che innescherà progressi in vari campi. Tra questi, materiali funzionali avanzati, sensoristica, strumenti, assistenza sanitaria, bioanalitica, depurazione delle acque, tecnologia dell’energia e altro ancora. I ricercatori IBM applicano la loro competenza nelle nanoscienze a problemi al di fuori della nanoelettronica, e aiutano ad affrontare alcune delle più grandi sfide del nostro tempo, tra cui un uso più efficiente dell’energia solare e modi nuovi per depurare o desalinizzare le acque.
A questo proposito vale la pena ricordare che IBM ha recentemente inaugurato il Binnig and Rohrer Nanotechnology Center di Zurigo, una struttura per la ricerca su nanoscala di altissimo livello, che è un elemento centrale di una partnership strategica decennale nella nanoscienza tra IBM e l’ETH di Zurigo, uno dei più importanti politecnici europei, dove gli scienziati faranno ricerca su nuove strutture e dispositivi su nanoscala per promuovere le tecnologie energetiche e dell’informazione.
